石化成套装置不停输服役条件下无损检测新技术的应用

宋耀民 陈 铭 李涌泉 种道听

（中国特种设备检测研究院 国家市场监管技术创新中心（炼油与化工装备风险防控） 北京 100029）

近年来,随着石化企业连续生产、不停机检验的需求上升,一些常规检测技术已无法满足要求,例如常规超声波检测、磁粉检测、渗透检测、射线检测等基本都受制于设备运行工况无法进行在线检测。然而随着科技的发展,很多针对承压设备在线运行情况下的新技术、新方法应运而生,例如声发射检测、电磁超声检测、脉冲涡流检测、超声导波检测、数字平板成像等,而且这些技术也在不断改进,适用的工况越来越多,应用效果也越来越好。这些在线检测新技术能够满足检验有效性要求,在设备开车阶段提前预判存在的缺陷性质和缺陷位置,既可以为设备停机修复缺陷节省时间,又可以为装置实现风险的动态控制建立一定的数据基础。

1 在线检测技术

目前,声发射检测、电磁超声检测、脉冲涡流检测、平衡场涡流检测、阵列涡流检测、超声导波检测及数字平板成像这7 种技术被广泛应用于在线检测项目,比如吴建平等人对在线运行的工业管道进行了电磁超声测厚、脉冲涡流测厚以及数字射线检测,解决了化工装置长周期运行与工业管道定期检验突出矛盾的关键问题[1]；谭清等人对工业管道进行了超声导波、脉冲涡流和电磁超声检测,实现了对在役工业管道腐蚀缺陷的有效快速检测[2]；王彦涛采用阵列涡流技术和超声导波技术对石油管道进行检测,可以发现裂纹、减薄等问题,降低管道在线运行的风险[3]；马金足等人采用声发射技术和超声导波技术对原油储罐进行了在线检测,能有效降低储罐长周期运行的风险隐患[4]。本文重点对上述7 种在线检测技术的原理及特点进行介绍,归纳总结7 种在线检测方法对石化成套装置中不同失效模式的压力容器、工业管道的适用性。

1.1 声发射检测技术

声发射是指材料在内力或外力的作用下发生变形、断裂时,以瞬态弹性波形式释放出应变能的现象。声发射检测正是通过仪器采用传感器将材料释放的弹性波转化为声发射信号,然后把声发射信号放大、处理,通过对观察到的声发射信号特征进行分析判断,最终获得声发射源的产生部位,进而了解被检设备的使用状况。

相比其他无损检测技术,声发射检测技术是一种在线的动态检测方法,适用于被检设备在线运行工况。声发射检测不但能够给出缺陷随着载荷、时间等参数变化的实时信息,而且对材料的表面裂纹、近表面裂纹等活性缺陷比较敏感。但是,声发射检测对环境的要求也较高,特别是噪声的干扰影响信号的采集[5]。

白春动等人采用声发射检测技术对在用管道进行了腐蚀检测试验,结果表明声发射技术可根据信号类型、频谱特征、能量比例,检测到在用管道初期腐蚀、加速腐蚀、平稳腐蚀3 个阶段,可为在用输气管道腐蚀状态的安全评估提供理论依据[6]；李晓朋等人对球罐进行声发射检测,检测结果表明声发射检测技术在大型球罐无损检测领域有独特优势,可以实现对球罐结构安全性能的整体评估[7]。

1.2 电磁超声检测技术

电磁超声检测技术是通过换能器激发和接收超声波的技术,其基本过程是探头放置于材料上,超声波频率的交流电进入探头线圈,通电的线圈在被测材料内感应出涡流,在外加磁场的作用下涡流会产生一个与涡流频率相同的洛伦兹力,然后引起被测材料的局部振动而形成超声波。以上是非铁磁性导电材料的电磁超声检测过程,对于铁磁性导电材料的检测,除了受到洛伦兹力的影响,同时还受到磁致伸缩效应的影响[8]。

相对于传统的超声波测厚技术,该技术的特点是不需要专用的耦合剂,同时也不需要对带有漆层的被检设备表面进行打磨清理,特别是对在高温环境服役的设备进行检测时,检验有效性也很高。

张钰等人在催化重整装置采用了电磁超声测厚技术,结果表明电磁超声测厚技术在高温、在线、不停机检测中有着广阔的应用前景,并且可以提升检验的效率和质量,比传统方法具有更强的精准性和使用价值[9]；张永涛采用电磁超声技术对压力容器进行测厚,测试表明电磁超声测厚技术数据准确,检测效率高,可以广泛应用于承压类特种设备领域的检测工作[10]。

1.3 脉冲涡流检测技术

脉冲涡流检测技术是涡流检测的一种,与其他涡流检测的不同之处是其激励信号中包含宽频带的脉冲或跃变波形。其基本原理是采用宽频脉冲来激励线圈,让线圈产生一个急剧减小的磁场,由于电磁感应定律的作用,被检工件表面感应出瞬时涡流,随着时间的推移,瞬时涡流慢慢衰减扩散,由涡流衰减产生的磁场变化被线圈接收转变为感应电压的变化。然后可以通过感应电压值的变化得出缺陷的位置和大小[11]。

脉冲涡流检测可以不拆绝热层,可用于不同的温度工况,不需要耦合剂,特别是对于一些外表面是保冷材料的设备,可以大大节省检验费用。另外,该技术现在不只用于铁磁性材料,也可以应用于一些不锈钢材料的检测。

郭宏亮等人对氨制冷系统压力容器及压力管道等承压设备进行了脉冲涡流检测,结果表明脉冲涡流检测技术能够实现对低压侧保温设备的腐蚀检测,可以为氨制冷系统承压设备的在线检测提供技术支持[12]；徐俊桥等人采用脉冲涡流检测技术对工业管道进行了腐蚀检测,通过实际的检测案例证实了脉冲涡流检测技术针对工业管道腐蚀缺陷具有非常良好的检测能力,值得后续进行大力推广[13]。

1.4 平衡场涡流检测技术

平衡场涡流检测技术也是涡流检测技术之一,可用于承压设备在线运行的情况下检测其焊接接头及母材的裂纹缺陷,而且可以定量给出裂纹的深度及长度。采用平衡场涡流检测时同样不需要耦合剂,不需要对设备表面的漆层或镀层进行打磨,只需对检测表面进行少许的清理,而且可以在操作温度为300 ℃条件下,检测出设备表面及内部12 mm 处的缺陷。另外,该技术对于检测不锈钢材料同样适用。

1.5 阵列涡流检测技术

阵列涡流检测技术与传统的涡流检测技术相比,其工作原理基本是一样的,主要的不同点在于阵列涡流的探头是由多个独立的线圈构成,包括激励线圈和检测线圈,这两种线圈以一种特殊的阵列排布方式形成了方向相互垂直的电磁场,更有利于多方向线性缺陷的检测。另外操作时不需要使用机械探头,只需按照程序将阵列单元进行实时/分时切换,然后对获取的信号进行处理即可。阵列涡流检测技术适用于被检设备表面缺陷的检测,而且不需要打磨表面,扫查区域大,灵敏度高,检测效率高,同时还可以测出一些裂纹的长度和深度[14]。

刘文锁采用阵列涡流检测技术对球罐进行了在线检测,证明了阵列涡流检测技术对球罐近表面缺陷检测的有效性和可行性[15]；李轶名等人对工业管道进行了阵列涡流检测,结果表明该检测技术可以在工业管道高精度检测中推广应用[16]。

1.6 超声导波检测技术

超声导波检测与传统的超声波检测技术不同,其工作原理是利用探头激励出低频的导波,导波以一定速度在被检设备中传播,当传播过程中遇到不连续部位（局部腐蚀坑、裂纹、变形部位）时,会产生大量的反射波,然后反射波被探头接收,通过激励和接收的时间差,给出被检设备缺陷的位置。超声导波检测的特点是在高温或者低温的工况下,可以实现长距离的检验,只需拆除少量的绝热层,特别是对被检设备内外表面的局部腐蚀检验有效性较高[17]。

周默研究了超声导波检测在石化设备中的应用情况,发现超声导波检测技术对于石化设备的腐蚀缺陷可实现高效快速的扫查[18]；武建伟对管道采用了超声导波检测,对超声导波在管道检测中的技术特点进行分析,指导其在管道检测中更好的应用[19]。

1.7 数字平板成像技术

数字平板成像技术主要就是将被检测材料的内部质量情况转化为数字信号,然后对数字信号进行储存或还原显示出来。其工作原理是射线机根据透照厚度选择管电压,然后在计算机上根据透照厚度选择开窗时间、曝光量,待射线机高压开启后,通过路由器传递信号给数字平板探测器进行数字图像采集,采集的图像通过路由器传输给计算机编辑显示出来[20]。

数字平板成像技术成像速度快、工作效率高,观察方便,无须冲洗胶片,检测结果现场即可评定,所成图像的灵敏度高、清晰细腻、分辨率高。特别是对于在线运行的承压设备,可以在不拆绝热层的条件下对一些介质为气体或液体的承压设备均可以采用该技术。

刘书宏等人对某化工装置的夹套内管进行了数字射线检测,通过优化检测工艺和应用图像处理技术,实现对内管的厚度测量和缺陷检测,检测质量达到标准要求[21]；张国强等人采用数字射线技术对聚乙烯燃气管道进行了检测,结果显示数字射线能够对聚乙烯管道焊接缺陷进行有效识别[22]。

综上所述,近几年这几种在线检测技术已在不同石化装置的压力容器和压力管道上得到了广泛的应用,既可以有效地发现压力容器和压力管道常见的腐蚀减薄、表面缺陷、埋藏缺陷等问题,也可以采用不用的组合方法对发现的缺陷进行复验确认。

2 承压设备在线检测新技术的选择

GB/T 30579—2022《承压设备损伤模式识别》将承压设备的损伤模式分为五大类,包括腐蚀减薄、环境开裂、机械损伤、材质劣化和其他损伤,本文给出了腐蚀减薄、环境开裂两种损伤类别下石化成套装置中压力容器和工业管道在线检测技术的选择建议,见表1。

表1 两种损伤类别下压力容器和工业管道在线检测新技术的选择建议

通过表1 可以看出,无论是压力容器还是工业管道,在腐蚀减薄和环境开裂两种损伤类别下都有多种在线检测技术可以选择,所以针对不同的服役工况选择适当的在线检测方法尤为关键,既能省时省力地完成检测,又能有效地降低承压设备的风险水平。

3 结束语

1）对声发射检测、电磁超声检测、脉冲涡流检测、平衡场涡流检测、阵列涡流检测、超声导波检测及数字平板成像7 种在线检测新技术的原理和特点进行了介绍,可以有效发现石化成套装置中压力容器和压力管道常见的腐蚀减薄、表面缺陷、埋藏缺陷等问题,应用值得推广。

2）结合承压设备的实际服役工况,7 种在线检测新技术在运用中也存在一些限制,给出了腐蚀减薄、环境开裂两种损伤类别下石化成套装置中压力容器、工业管道在线检测技术的选择建议。

3）建议在线检测技术和RBI（基于风险的检验）技术相结合,在满足检验有效性的前提下,可以实现石化成套装置中压力容器、工业管道不停机检验代替停机检验。